PT103747A

PT103747A - PROCESS AND EQUIPMENT OF QUICK PROTOTYPAGE BY REACTIVE EXTURSION

Info

Publication number: PT103747A
Application number: PT10374707A
Authority: PT
Inventors: Sergio Pinto Macias Marques; Henrique Almeida; Paulo Jorge Da Silva Bartolo; Aires Williams Da Nobreg Rocha
Original assignee: Inst Superior Tecnico
Priority date: 2007-05-22
Filing date: 2007-05-22
Publication date: 2007-09-07
Also published as: PT103747B

Abstract

A PRESENTE INVENÇÃO RELATA UM PROCESSO DE UM NOVO CONCEITO DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA, DENOMINADO PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR EXTRUSÃO REACTIVA, NO CAMPO DA ENGENHARIA MECÂNICA E DE POLIMEROS, QUE PERMITE A OBTENÇÃO DE MODELOS CONCEPTUAIS COM GEOMETRIAS COMPLEXAS, ATRAVÉS DE UM SISTEMA HÍBRIDO DE EXTRUSÃO A BAIXA PRESSÃO DE UMA MISTURA DE POLIOL E DE UM ISOCIANATO, CUJA REACÇÃO DE CURA RÁPIDA ORIGINARÁ UM COMPONENTE DE POLIURETANO, E DA FABRICAÇÃO DE CAMADA A CAMADA DE UM MOLDE TEMPORÁRIO EM CERA SOLÚVEL EM ÁGUA. A ESTE NOVO PROCESSO DE PROTOTIPAGEM RÁPIDA ESTÁ INERENTE A UTILIZAÇÃO DE UMA MÁQUINA DENOMINADA PROTOTIPAGEM RÁPIDA POR EXTRUSÃO REACTIVA, QUE ENGLOBA DIVERSOS ASPECTOS CONSIDERADOS INOVADORES, COMO O PROCESSO DE MISTURA E EXTRUSÃO DO POLIOL E DO ISOCIANATO, A REALIZAÇÃO DO MOLDE TEMPORÁRIO CAMADA POR CAMADA E FASEADO, A ESTRATÉGIA E A IMPLEMENTAÇÃO DE UM FICHEIRO DE LEITURA PARA DECOMPOSIÇÃO DOS OBJECTOS.The present invention relates to a novel concept of rapid prototyping, termed fast prototyping by reactive extruation, in the field of mechanical and polymeric engineering, which allows the generation of conceptual models with complex geometries through a low-energy extrusion system PRESSURE OF A POLYOL AND ISOCYANATE MIXTURE, WHOSE QUICK CURE REACTION WILL ORIGINATE A POLYURETHANE COMPONENT, AND FROM LAYING THE LAYER OF A TEMPORARY TEMPLATE IN WATER SOLUBLE WAX. This novel process of rapid prototyping is inherent in the use of a machine called Rapid Prototyping by Reactive Extrusion, which encompasses several aspects considered to be innovative, such as the process of mixing and extrusion of the polyol and the isocyanate, the realization of the temporary layer, BACKGROUND, THE STRATEGY AND THE IMPLEMENTATION OF A READING FILE FOR DECOMPOSITION OF THE OBJECTS.

Description

Descriçãodescription

Processo e equipamento de prototipagem rápida por extrusão reactiva •Campo da invenção e estado da arteProcess and equipment of rapid prototyping by reactive extrusion • Field of the invention and state of the art

Na área tecnológica relativa à industria dos moldes e fabricação de componentes em materiais termoendureciveis, principalmente poliuretanos, e no que diz respeito ao desenvolvimento de processos de prototipagem rápida, a tecnologia da prototipagem rápida apresenta algumas importantes limitaçdes nomeadamente em termos de: • Reduzida gama de materiais utilizados • Elevados consumos energéticos (aquecimento da área de trabalho de forma a diminuir a contracção das peças, aquecimento da cabeça)In the technological area related to the mold industry and the manufacture of components in thermosetting materials, mainly polyurethanes, and with regard to the development of rapid prototyping processes, rapid prototyping technology presents some important limitations in terms of: • Reduced range of materials used • High energy consumption (heating of the work area in order to reduce the contraction of parts, head heating)

De entre os processos de prototipagem rápida, os processos de extrusão assumem particular destaque, não só por serem verdadeiros sistemas desktop, mas também por permitirem a obtenção de protótipos funcionais de boas propriedades mecânicas.Among the rapid prototyping processes, extrusion processes are particularly prominent, not only because they are true desktop systems, but also because they allow the production of functional prototypes of good mechanical properties.

Contudo, os sistemas de prototipagem por extrusão estão limitados a utilização de termoplásticos cujo processamento é pouco atractivo do ponto de vista energético, à obtenção de componentes de pequena/média dimensão e a utilização de material sob a forma de fio. Podemos referir algumas tecnologias periféricas como FDM, SLA, LOM, SLS, 3DP, etc.However, extrusion prototyping systems are limited to the use of thermoplastics whose processing is uneconomically energetic, to obtain small / medium sized components and the use of material in the form of yarn. We can mention some peripheral technologies like FDM, SLA, LOM, SLS, 3DP, etc.

Neste contexto, propõem-se nesta patente um novo conceito de prototipagem rápida, que visa colmatar algumas das limitações da prototipagem por extrusão ao permitir a produção de peças de médias e grandes dimensões, multi- material através de uma estratégia de processamento de baixo consumo energético. A presente invenção relata um processo de prototipagem rápida por extrusão reactiva. Este processo é principalmente baseado na reacção da mistura de materiais poliuretanos (PU). Materiais termoendureciveis podem ser utilizados, assim como a epoxy e resinas de poliester insaturadas curadas a temperaturas ambientes ou materiais termoendureciveis reforçados.In this context, a new concept of rapid prototyping is proposed in this patent, which aims to fill some of the limitations of extrusion prototyping by allowing the production of medium and large pieces, multi-material through a strategy of processing low energy consumption . The present invention relates to a rapid prototyping process by reactive extrusion. This process is primarily based on the reaction of the mixture of polyurethane (PU) materials. Thermosetting materials may be used, as well as epoxy and unsaturated polyester resins cured at ambient temperatures or reinforced thermosetting materials.

Este processo permite a produção de objectos de elevada qualidade, em que os materiais denotam baixa contracção e a fabricação dos objectos não é efectuada por aproximação convencional de camada por camada.This process allows the production of high quality objects in which the materials denote low shrinkage and the manufacture of the objects is not carried out by conventional approach of layer by layer.

Adicionalmente, a combinação de diferentes tipos de poliols e isocianatos, sem alteração de condições de processamento, permite produzir objectos com uma gama alargada de propriedades (poliuretanos reforçados e espuma de poliuretano). A prototipagem rápida por extrusão reactiva envolve a mistura de compostos de viscosidade baixa, os quais são extrudidos a baixa pressão e curados a temperatura ambiente. O processo engloba uma configuração optimizada de uma cabeça extrusora onde a mistura é processada de forma a determinar a mistura adequada consoante o material em causa e o produto final desejado, a qual é aplicada no equipamento Prototipagem Rápida por Extrusão Reactiva. •Breve descrição do processo A produção dos objectos através do processo Prototipagem Rápida por Extrusão Reactiva engloba várias etapas que se descrevem de seguida (Figura 1). - Geração do modelo CAD. - Decomposição do modelo em sub-componentes ou sub-partes através de algoritmo adequado e próprio, baseado em ficheiro PLY(Poligon File Format). - Geração da estratégia para a deposição da cera solúvel com água (estruturas de suporte ou molde) e extrusão do poliuretano. - Extrusão de cera para definição do molde correspondente ao primeiro sub-componente do modelo.In addition, the combination of different types of polyols and isocyanates, without changing processing conditions, allows the production of objects with a wide range of properties (reinforced polyurethanes and polyurethane foam). Rapid prototyping by reactive extrusion involves mixing low viscosity compounds, which are extruded at low pressure and cured at room temperature. The process encompasses an optimized configuration of an extruder head wherein the blend is processed in order to determine the suitable blend depending on the material concerned and the desired end product which is applied to the Rapid Reactive Extrusion Prototype equipment. • Brief description of the process The production of the objects through the Rapid Reactive Extrusion Prototyping process comprises several steps which are described below (Figure 1). - Generation of the CAD model. - Decomposition of the model into sub-components or sub-parts through proper algorithm and proper, based on PLY (Poligon File Format) file. - Generation of the strategy for the deposition of the soluble wax with water (support structures or mold) and extrusion of the polyurethane. - Extrusion of wax to define the mold corresponding to the first sub-component of the model.

Extrusão a baixa pressão, da mistura Poliol e Isocianato. - Cura do Polímero. - Repetição das etapas anteriores para os restantes sub-componentes do modelo.Low pressure extrusion of the mixture Polyol and Isocyanate. - Polymer Curing. - Repeat the previous steps for the remaining sub-components of the model.

Todo este processo é desenvolvido no equipamento Prototipagem Rápida por Extrusão Reactiva da seguinte forma: - Através do sistema CAD (Computer Aided Design) é desenhado o objecto a produzir. Este sistema está já bastante desenvolvido no mercado, existindo diversos programas de software desenvolvidos. - Através da transferência para um ficheiro PLY (Poligon File Format) é então tratado todo o processo de decomposição do objecto, traçando toda a sua estratégia de construção e produção. - Ao ser transferido para o equipamento Prototipagem Rápida por Extrusão Reactiva o ficheiro PLY (sistema informático para comando e controlo do processo), é transformado num ficheiro SLI (seccionamento transversal), o qual irá originar a construção do protótipo físico. - A estratégia de construção conforme está mostrada na Figura 1, é uma sequência de etapas. A construção do molde temporário camada a camada é construído através do movimento dos eixos X, Y e Z e após a finalização duma etapa de construção do molde é efectuado a extrusão de material do protótipo físico a ser produzido, seguindo-se o inicio de uma nova etapa com a construção de mais uma secção do molde temporário. - 0 número de etapas depende da complexidade do objecto a ser produzido e da optimização da estratégia de construção. - 0 molde temporário é efectuado em cera através de uma cabeça de impressão de cera (solúvel) e o material é extrudido através de uma cabeça de mistura e de extrusão concebida e desenvolvida directamente para o equipamento Prototipagem Rápida por Extrusão Reactiva. - A mistura do poliol com o isocianato é efectuada na cabeça de mistura a baixa pressão e através dum sistema de mistura optimizado, tendo em conta a composição percentual dos dois componentes e suas formulações, a velocidade, a densidade, a forma estrutural das câmaras de mistura, a temperatura e os tempos de processamento, de modo a que a libertação de calor durante o processo seja controlada, sem que se registem contracções excessivas do material e consequentes deformações. - Após terminar o processo e aguardando o tempo necessário para cura do poliuretano, o objecto é retirado da máquina e através de lavagem é retirado o molde de cera solúvel, obtendo-se o protótipo físico final. O processo e o equipamento mencionados, é caracterizado por aplicações de materiais de baixo custo e por um custo de equipamento baixo comparado com os processos e equipamentos já existentes comercialmente. 4 •Breve descrição do equipamento (Figura 2/9, Figura 3/9 e Figura 4/9) - Máquina com área de trabalho com as seguintes dimensões: 500x300 mmAll this process is developed in the Rapid Prototyping by Reactive Extrusion equipment as follows: - Through the CAD (Computer Aided Design) system the object to be produced is drawn. This system is already well developed in the market, with several software programs developed. - By transferring to a PLY (Poligon File Format) file, the entire process of decomposing the object is then treated, outlining its entire construction and production strategy. - When transferring to the Rapid Reactive Extrusion Prototyping equipment, the PLY (computer system for command and process control) file is transformed into an SLI file (transversal sectioning), which will lead to the construction of the physical prototype. - The construction strategy as shown in Figure 1 is a sequence of steps. The construction of the temporary mold from layer to layer is constructed by the movement of the X, Y and Z axes and after the completion of a step of constructing the mold, the material is extruded from the physical prototype to be produced, followed by the start of a new stage with the construction of another section of the temporary mold. - The number of steps depends on the complexity of the object being produced and the optimization of the construction strategy. The temporary mold is waxed through a wax printing head (soluble) and the material is extruded through a mixing and extrusion head designed and developed directly for Rapid Reactive Extrusion Prototyping. The mixing of the polyol with the isocyanate is carried out in the mixing head at low pressure and through an optimized mixing system, taking into account the percentage composition of the two components and their formulations, the speed, the density, the structural shape of the chambers mixing, temperature and processing times so that the release of heat during the process is controlled without excessive contractions of the material and consequent deformations occurring. - After finishing the process and waiting for the time necessary for curing the polyurethane, the object is removed from the machine and by washing the soluble wax mold is removed, obtaining the final physical prototype. The aforementioned process and equipment is characterized by applications of low cost materials and a low cost of equipment compared to processes and equipment already existing commercially. 4 • Brief description of the equipment (Figure 2/9, Figure 3/9 and Figure 4/9) - Machine with work area with the following dimensions: 500x300 mm

Sistema de eixos dispostos da seguinte forma: mesa elevatória segundo o eixo z, onde está colocada a área de trabalho e pórtico superior com movimento segundo os eixos x e y, onde estão apoiadas as cabeças (Figura 5/9 e Figura 6/9)System of axes arranged as follows: lifting table along the z-axis, where the work area and upper gantry are placed with movement along the x and y axes, where the heads are supported (Figure 5/9 and Figure 6/9)

Cabeça de mistura e extrusora para material de poliuretano com a utilização de cartuchos para componentes de material a utilizar, com mecanismo de optimização para extrusão e mistura do material (Figura 7/9). - Cabeça de impressão de cera (impressão camada a camada através de um processo similar as cabeças de impressão de jacto de tinta, ou seja a utilização de uma cabeça impressora a 3D) - Sistema informático para comando e controlo do processo. O sistema informático está implementado através da formatação do ficheiro poligonal PLY, o qual é uma formatação de armazenamento de objectos gráficos que são descritos como um conjunto de polígonos. - Estrutura em tubos de aço comum (SD37) de secção quadrada 40x40 mm (Figura 8/9). - Sistema de deslocamento sob eixos X/ y e z em apoios deslizantes sob calhas de perfis de alumínio com bastante precisão e accionados por pequenos servomotores - Revestimento do equipamento é em painéis de material compósito de espessura de 3,4 mm com aberturas (portas eMixing head and extruder for polyurethane material using cartridges for material components to be used, with optimization mechanism for extrusion and mixing of the material (Figure 7/9). - Wax printing head (print layer by layer through a process similar to inkjet print heads, ie the use of a 3D printer head) - Computer system for command and control of the process. The computer system is implemented by formatting the PLY polygon file, which is a storage format for graphic objects that are described as a set of polygons. - Structure in common steel tubes (SD37) with a square section of 40x40 mm (Figure 8/9). - X / y and z axis displacement system on sliding bearings under aluminum profile rails with high precision and driven by small servo motors - Equipment cover is in composite panels with a thickness of 3.4 mm with openings (doors and

Claims

Reivindicações: •t"·* Equipamento e processo de prototipagem rápida por extrusão reactiva, caracterizado por um sistema híbrido de extrusão a baixa pressão num molde temporário, de uma mistura de poliol com isocianato.A fast reactive extrusion prototyping apparatus and process characterized by a hybrid low pressure extrusion system in a temporary mold of a polyol-isocyanate blend.

2, Processo de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por um processo de construção camada por camada de im. molde temporário em cera solúvel em água. 3_, Processo de acordo com a reivindicação 1 e 2, caracterizado pela produção de peças de média e grandes dimensões com propriedades mecânicas variadas (obtenção de peças com propriedades similares ao PC, PP, PS, Espuma, entre outros).A method according to claim 1, characterized by a layer-by-layer construction process of im. temporary mold in water soluble wax. 3. A process according to claim 1 and 2, characterized by the production of medium and large parts with varying mechanical properties (obtaining parts having properties similar to PC, PP, PS, Foam, among others).

4, Processo de acordo com as reivindicações 1, 2 e 3, caracterizado pela optimização de formulações poliol e isocianato, pela análise do processo de cura, para o qual é necessário garantir uma cura extremamente rápida e sem contracções do componente em polireutano e pela avaliação do calor libertado durante o processo de cura. Si Processo de acordo com as reivindicações 1, 2, 3 e 4, caracterizado pela selecção duma cera adequada que compreenda um sistema de avaliação do desempenho estrutural (espessuras óptimas das paredes do molde temporário) de modo a não se registarem empenos que comprometam a qualidade dos modelos obtidos. íu Equipamento de acordo com a reivindicação 1, caracterizado por uma configuração substancialmente paralelepipédica, com as seguintes características: a) superfície anterior dotada de duas zonas salientes, de configuração semicilíndrica: uma, definindo-se a í· toda a altura da superfície anterior, é dotada de uma porta rectangular, disposta inferiormente, e de uma abertura quadrangular, disposta superiormente; a outra, definindo-se superiormente a duas portas de configuração rectangular da zona plana da superfície anterior, apresenta duas portas transparentes, em continuidade formal com a superfície curva definida; b) uma superfície lateral plana, dispondo, superiormente, de duas portas rectangulares, encimadas por porta abaulada, de secção vertical em segmento de circulo, a qual, apresentando continuidade formal com a superfície citada, define elemento de convergência em relação a superfície de topo plana; c) uma superfície lateral curva, de configuração semicilíndrica, dotada de janela transparente, disposta superiormente e em continuidade formal com a superfície lateral; d) e superfície posterior rectilínea, vertical e plana. Equipamento de acordo com a reivindicação 6, caracterizado por ser composto por uma estrutura em tubos de aço comum (SD37) de secção quadrada 40 x 40mm e 2.5 mm de espessura [19], que suporta os componentes internos da máquina e serve de base de apoio ao revestimento da mesma, compreendendo uma área de trabalho de dimensões 500 x 300 mm [8] e que engloba os seguintes componentes: a) Sistema de elevação segundo o eixo Z da área de trabalho; b) Pórtico superior com movimentos segundo eixo X [6] e Y [7] permitindo o deslocamento em separado da cabeça de impressão de cera e da cabeça de extrusão poliuretano; c) Área destinada à instalação do sistema informático de software e hardware e consola de comando, controlo e processamento; d) Depósito de cera; e) Area de armazenamento e alimentação dos materiais de construção dos modelos.Process according to Claims 1, 2 and 3, characterized by the optimization of polyol and isocyanate formulations, by the analysis of the curing process, for which it is necessary to guarantee an extremely quick and non-contractive cure of the component in polyurethane and by the evaluation of the heat released during the curing process. Process according to Claims 1, 2, 3 and 4, characterized by the selection of a suitable wax comprising a structural performance evaluation system (optimum thicknesses of the temporary mold walls) so as not to compromise the quality of the models obtained. The apparatus according to claim 1, characterized in that it has a substantially parallelepipedal configuration, having the following characteristics: a) front surface having two protruding zones, of semi-cylindrical configuration: one, defining the entire height of the anterior surface, is provided with a rectangular door, arranged lower, and a quadrangular opening, arranged upper; the other, defining two upper doors of rectangular configuration of the flat zone of the previous surface, presents two transparent doors, in formal continuity with the defined curved surface; b) a flat lateral surface, having, at the top, two rectangular doors, surmounted by a bulged door, with a vertical section in a circle segment, which, having a formal continuity with said surface, defines a convergence element in relation to the top surface flat; c) a curved lateral surface, of semi-cylindrical configuration, provided with transparent window, arranged superiorly and in continuity with the lateral surface; d) and rectilinear posterior surface, vertical and flat. The apparatus according to claim 6, characterized in that it is composed of a 40 x 40mm and 2.5 mm thick common steel (SD37) tubular structure [19], which supports the internal components of the machine and serves as a basis for support for the coating thereof, comprising a work area of dimensions 500 x 300 mm [8] and comprising the following components: a) Lift system according to the Z axis of the work area; b) Upper gantry with movements along the second axis X [6] and Y [7] allowing the separate displacement of the wax print head and the polyurethane extrusion head; c) Area destined to the installation of computer system of software and hardware and console of command, control and processing; d) Wax deposit; e) Area of storage and feeding of the materials of construction of the models.

8. Equipamento de acordo com a reivindicação 6 e 7, caracterizado por um revestimento da máquina que se realiza por intermédio de seis painéis em material compósito (fibra de vidro) [23,25] e PVC [24] com espessura de 3.4 mm, sendo a fixação destes painéis a estrutura feita por ligação aparafusada.An apparatus according to claim 6 and 7, characterized in that a coating of the machine is carried out by means of six panels of composite material (glass fiber) [23,25] and PVC [24] with a thickness of 3.4 mm, the fixing of these panels being the structure made by bolted connection.

9. Equipamento de acordo com as reivindicações anteriores, caracterizado por uma cabeça de extrusão de polireutano [12,13] totalmente automática em termos de extrusão, sendo para tal utilizados dois servomotores (16), um para o poliol e outro para o isocianato.Apparatus according to the previous claims, characterized by a fully extruded polyrethane extrusion head [12,13], two servomotors (16) being used for this purpose, one for the polyol and the other for the isocyanate.

10. Equipamento de acordo com a reivindicação 6 e seguintes, caracterizado por um sistema de software com uma combinação optimizada de informações e de estratégia relativa à construção do molde temporário em cera solúvel, e a cabeça de extrusão de poliol e isocianato.Equipment according to claim 6 and following, characterized by a software system with an optimum combination of information and strategy regarding the construction of the temporary mold in soluble wax, and the polyol and isocyanate extrusion head.

11. Software de comando de acordo com a reivindicação 10, caracterizado por uma estratégia inovadora de decomposição de caracteristicas e de ordenação hierárquica das caracteristicas, segundo uma análise de um ficheiro PLY (Poligon File Format-Ficheiro de formato poligonal). Lisboa, 13 de Agosto de 2007Command software according to claim 10, characterized by an innovative strategy for characterizing features and hierarchical ordering of features, according to an analysis of a PLY (Polygon File Format) file. Lisbon, August 13, 2007